Российские химики открыли необычайное вещество

Перехитрить природу с пользой для человека вновь удалось российским ученым. Сотрудники Московского государственного института стали и сплавов (МИСиС) не только синтезировали вещество, которое по всем законам и существовать-то не имеет права, но и придумали, как его употребить с пользой для дела. Это так называемые квазикристаллы на основе алюминия, железа и меди, атомы которых в периодичную кристаллическую решетку в рамках классической науки объединить невозможно. Чтобы сделать это «чудо природы», авторам пришлось применить экстремальные условия – долго и упорно колотить исходные металлы тяжелыми шарами в специальных мельницах. А понадобиться такие «кристаллы» могут при создании композиционных материалов с уникальными свойствами – например, особо устойчивых к трению резин. Проект поддержали Российский фонд фундаментальных исследований и Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

– Понятие квазикристаллов – сравнительно новое, – говорит руководитель проекта профессор Сергей Калошкин. Придумали его лет 20 назад, чтобы объяснить странную рентгенограмму особого образца – стремительно охлажденного расплава на основе алюминия и марганца. На рентгенограмме были хорошо видны отчетливые светлые пятна – безусловные признаки того, что атомы расположены строго упорядоченно по всему образцу. Но обычная кристаллическая решетка такой картины дать не могла, и в рамках классической кристаллохимии такие рефлексы описать не удавалось.

В конце концов оказалось, что в необычном соединении атомы действительно расположены в строгом порядке. Только порядок этот особенный. Обычный кристалл весь состоит из одинаковых, так называемых элементарных ячеек. Из них, как из строительных блоков, можно построить всю структуру – для этого достаточно перемещать их на определенное расстояние. А в квазикристалле нет такого понятия, как «элементарная ячейка»: хотя в нем атомы тоже расположены в строгом порядке, мысленно перемещая группу атомов на одно и то же расстояние, никогда не попадешь на точно такую же группу. Простейший пример такого порядка – геометрическая прогрессия. Вроде порядок в расположении точек на прямой есть, а вот повторяемости нет – расстояние между точками все время растет.

Позднее выяснилось, что получать квазикристаллы можно из разных элементов, но это всегда очень сложно – например, нужно распылять расплав потоком инертного газа или разливать расплав на быстро вращающийся диск. Ведь это всегда, образно говоря, игра против правил, и приемы приходится использовать неминуемо экстремальные – иначе встать «неправильно» атомы не заставишь.

Однако эта игра стоит свеч. Потому что у новых соединений и свойства необычные. Похожие одновременно и на металлы, и на керамику, с одной стороны, они исключительно твердые – тверже самых твердых легированных сталей, почти как алмаз. А с другой – у них очень низкий коэффициент трения, чуть больше, чем у сверхскользкого фторопласта, и гораздо меньше, чем у любого металла. И химическая стойкость у них тоже очень высока – почти как у керамики.

Именно такие необычные вещества и научились получать металловеды из МИСиСа. Причем метод, разработанный учеными под руководством С.Д. Калошкина, на фоне традиционной экзотики привлекает в первую очередь замечательной простотой, а, следовательно – сравнительной дешевизной.

Дело в том, что свои квазикристаллические сплавы авторы предлагают получать методом так называемого механо-химического синтеза. Проще говоря – в специальных мельницах, в которых порошки исходных металлов дробят с такой силой и до тех пор, пока металлы не перемешаются на атомарном уровне и не получится сплав. А чтобы закрепить успех, полученный порошок нужно еще отжечь – прогреть некоторое время при высокой температуре. Так и получается сплав, обладающий структурой и свойствами квазикристалла.

Пока ученые разработали методики, с помощью которых можно получать два вида квазикристаллических сплавов, исследовали их состав и свойства. В состав обоих входят медь и алюминий, но в одном есть еще железо, а в другом – хром.

Разумеется, получают эти уникальные соединения химики не только из любви к науке. Ведь такие порошки – это исключительно перспективные наполнители для различных резиновых и пластиковых уплотнителей. А чтобы композиционные материалы на основе эластичной матрицы и твердых и скользких частиц наполнителей не расслаивались под нагрузкой, авторы предлагают увеличить их сцепление с матрицей. Для этого авторы совместно с коллегами из НПП «РЕАМ-РТИ» тоже разработали методику и тоже оригинальную. В результате такой обработки на поверхности частиц появляются микродефекты, и их сцепление с матрицей улучшается. А значит, и весь материал будет служить дольше и сможет выдержать более серьезные нагрузки. Износостойкость при этом может увеличиться в десятки раз.